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Sitzungsberichte der Leibniz-Sozietät 90(2007), 85–102

Rainer Bitsch

Integration von erneuerbaren Energiequellen und dezentralen Erzeugungen in bestehende Elektro-Energiesysteme

Einleitung

Als Folge von Deregulierung und Liberalisierung des Energiemarktes, Stre-ben nach Umwelt- und Ressourcenschonung sowie Effizienzsteigerung undinsbesondere auch unter dem Eindruck zunehmender Problematik einer lang-fristigen Sicherung ausreichender Energieversorgung vollzieht sich ein Wan-del in der Energieversorgung: Aus einer bisher weitgehend zentral geführtenVersorgung wird zukünftig durch zahlreichen und vielfältigen dezentralenZubau eine

zentrale + dezentrale = integrale Versorgung,die eine besondere Herausforderung hinsichtlich optimaler Systemintegrationdarstellt (Abb. 1). Trend und Ziel zugleich sind eine integrierte geregelte En-ergieoptimierung „von unten“ an Stelle einer gesteuerten Verteilung einzel-ner Energieformen „von oben“.

Abb. 1: Wandel in der Energieversorgung

gestern: „zentral“ z.B. elektrisch

G

G

Erzeugung

Ü b e r t r a g u n g

V e r t e i l u n g

G

GGG

GG

Erzeugung


V e r t e i l u n g

GG

GG

Trend/ Integrierte geregelte Energieoptimierung von unten anstelle getrennter Ziel: gesteuerter Verteilung einzelner Energieformen von oben.

morgen: „zentral + dezentral + integral“

G

GG

G

G

G

G

GErzeugung


V e r t e i l u n g

G

GBHKW

Gas

Wär

me

/ Was

ser

GG

GGGG

GG

GG

GG

GG

GGErzeugung


V e r t e i l u n g

GG

GGBHKWBHKW

Gas

Wär

me

/ Was

ser

Automati-sierung,

Kommuni-kation,

IntelligenteSysteme

Automati-sierung,

Kommuni-kation,

IntelligenteSysteme

Ga

s

Wä

rme

/Wa

sse

r

86 Rainer Bitsch

Zur Realisierung der auf europäischer Ebene formulierten Zielsetzungvon rd. 22% regenerativen Anteils am Bruttostromverbrauch bis 2010 sowiegenereller Steigerung der Energieeffizienz bzw. einem noch deutlich höherenregenerativen Anteil von vielleicht sogar 60% im Jahre 2050 sind u. a. großeMengen verteilter Kleinerzeugungen mit unterschiedlichsten Charakteristi-ken im MW- und kW-Bereich in Form von z.B. zig-tausend Windenergie-bzw. Millionen verteilter KWK- oder PV-Anlagen in das Energiesystem zuintegrieren. Neben unumgänglichem klassischen Netzausbau und Anpassungdes Großkraftwerkparks sind dabei auch innovative Ansätze auf Basis neuerTechnologien (Automation, Information, Kommunikation) sowie angepassteBetriebsführungskonzepte und Zuständigkeiten erforderlich, um zu durch-gängig technologisch optimierten als auch wirtschaftlich vertretbaren Lösun-gen zu gelangen [1-3].

Intelligente dezentrale Energieversorgungssysteme

Ausgangspunkt dieser innovativen Ansätze zur technisch/wirtschaftlich opti-malen Systemintegration großflächig verteilter dezentraler Energieerzeugun-gen ist das intelligente dezentrale Energieversorgungssystem. Es besteht ausverschiedenen kleinen Erzeugereinheiten auf regenerativer oder fossiler Ba-sis und unterschiedlich strukturierten industriellen und privaten Verbrau-chern sowie auch aus Speichern.

Neben der elektrischen Energie fällt bei Kraft-Wärme-Kopplungen(KWK) auch Wärme an, die den Verbrauchern für Produktionsprozesse bzw.Heizung zugeleitet wird.

Ziel eines ganzheitlichen dezentralen Energieversorgungskonzeptes ist esnun, • die Energie möglichst dort zu bereitzustellen, wo sie gebraucht wird bzw.

zu verwenden, wo sie bereitgestellt wird,• die verfügbare Energie – insbesondere dargebotsabhängige regenerative

Energie – der Last zuzuführen, die im Augenblick des Dargebots dendringendsten Bedarf bzw. die beste Verwendung hat,

• ggf. erforderlichen überregionalen Energieaustausch mit dem Netz zu op-timieren und so

• die Versorgung des Gebietes energetisch, ökonomisch und/oder ökolo-gisch nach vorzugebenden Kriterien zu optimieren.

Dabei wird von einer netztopologisch orientierten Definition des dezentralenSystems und einem zunächst restriktionsfreien Netz – d.h. keine Netzengpäs-se – ausgegangen.

Integration von erneuerbaren Energiequellen ... 87

Voraussetzung für die angestrebte Optimierung ist eine ausreichendeKommunikation zwischen Erzeugung, Speicher, Verbraucher und Leitstellesowie ein innovatives Dezentrales Energiemanagementsystem (DEMS) mitPrognose, Einsatzplanung sowie Prozessankopplung und Online-Optimie-rung. Dadurch wird es ermöglicht, dezentrale Erzeugungen und Lasten inClustern mit gleichen Einflussgrößen planbar zu machen, im Kurzfrist-Be-reich optimiert einzusetzen, Speicher zu bewirtschaften und damit sowohlgrößere Windenergieeinspeisungen als auch verteilte kleine KWK-Anlagenzu höherer Energieeffizienz und vertragsbasierter Vermarktbarkeit zu führen.Daraus ergibt sich eine Steigerung des energiewirtschaftlichen Nutzens durchintelligentes Zusammenfassen auf Basis beeinflussbarer vertragsfähiger Pro-file [4-6].

Der Ausgangspunkt für ein Dezentrales Energiemanagementsystem istdie Prognose, die bereits mit dem Wetter als einer wesentlichen Einflussgrößebeginnt und die Gesamtheit aller dargebotsabhängigen Erzeugungen und La-sten ermittelt. Daraus wird eine Einsatzplanung unter Berücksichtigung vonVerträgen und Reserven im Viertel-Stunden-Raster abgeleitet, auf deren Ba-sis eine Online-Optimierung mit Zugriff auf das Erzeugungsmanagement unddas Lastmanagement den aktuellen Abgleich vornimmt (Abb. 2). Die aus demFahrplan hervorgehenden Sollwerte werden über eine Prozessschnittstelle andie Erzeuger-, Last- und Speicherelemente weitergegeben und die Ist-Werteoder auch Estimationen an die Online-Optimierung zurückgemeldet.

Abb. 2: Intelligentes dezentrales Energieversorgungssystem mit Kraft-Wärme-Kopplung

AEAEtherm. KW

AE

regen.KW

AE

BHKW

AEGasturbine,Biomasse

Motor, Brennstoffzelle

Wind, Solar

AEAEAEAE AEAE

elektr. therm.

RST/Konz. steuerbar

mitEstimation

verteilte Lasten(therm. u. elektr.)

verteilte Erzeugung(Brennstoffzelle, Microturbine)

Erzeugung Speicher Last

therm. u. elektr.

Dezentrales Energiemanagement System DEMSPrognose

Wetter regenerative Erzeugung Last Einsatzplanung

Erzeugung, Speicher, Lasten einschl. Querverbund, Bezugs-/Lieferverträge, Primärenergieverträge, Reserven

EM EM EM EM EM LM LM LM LM ... LastmanagementEM ... Erzeugungsmanagemt.

Energiebezug / Lieferung / Verträge

LAN / WAN, ISDN, GSM OPC, XML

Prozeßschnittstelle

EM

steuerbar

AE ... Automatisierungseinheit

mit Fahrplan bzw. Estimation (RST)

RST/Konz.

mit Fahrplan bzw. Estimation (RST)

RST/Konz.

Kat. A B

Online OptimierungErzeugung Speicherung Last

C

nichtbeeinflußbareErzeugung

nur prognostizierbar

nichtbeeinflußbareErzeugung


A

regelbar nichtbeeinflußbare

Lasten


nichtbeeinflußbare

Lasten


A B Cregelbar

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Der Optimierungsprozess für ein derartiges intelligentes dezentrales En-ergie-versorgungssystem mit Kraft-Wärme-Kopplung und evtl. Rückspei-sung verläuft kommunikativ über entsprechende Netze, an die die einzelnenElemente von Erzeugung, Speicherung und Last aufwand-/nutzengerecht an-geschlossen sind. In Frage kommen dabei z.B. LAN/WAN, ISDN, GSM mitSchnittstellen wie z.B. OPC bzw. XML mit Stand- bzw. Wählverbindungenoder auch nur statistischer Erfassung.

Abb. 3: Großflächige Optimierung dezentraler Energiesysteme

Die hinterlegte Modellierung (Abb. 3) umfasst dementsprechend z.B. eineelektrische und eine thermische Sammelschiene, an die die einzelnen Objektedes dezentralen Systems – Erzeugungen, Speicher, Lasten und Verträge ihrerFunktion und Wirkung – entsprechend angebunden sind. Auch unterschiedli-che Primärenergieträger können berücksichtigt werden. Nach außen hin er-hält das Energiemanagement Vorgaben zu Bezug, Lieferung bzw. entspre-chenden Verträgen.

Unabdingbare Voraussetzung für eine Optimierung sind ein klar definier-ter Optimierungsraum („Randintegral“), ein Optimierungspotenzial – d.h. be-einflussbare Objekte – entsprechende Zuständigkeit und Zugriffsmöglichkeitsowie ein Optimierungsziel sowie eine Optimierungsstrategie, z.B. ökonomi-sche und/oder ökologische Optimierung durch optimalen Betriebsmittel-bzw. Vertragseinsatz.

B E S A nlage

G rundlastvertrag S pitzenlastvertrag E xportvertrag R ealer R eservevertrag V irtueller R eservevertrag

S olaranlage

W indpark

G asturbinen A nlage N icht beeinflußbare Last

G rosskunde BG rosskunde A

N achtspeicheranlagen

Therm ische Last

B rennstoffzelle

B lockheizkra ftw erk

H eizw erk

B ezug B iom asse

B ezug R apsölB ezug E rdgas

R andintegral

P rim ärenergie

S trom

W ärm e

B E S A nlage


S olaranlage

W indpark




Therm ische Last

B rennstoffzelle


H eizw erk

B ezug B iom asse


R andintegral

P rim ärenergie

S trom

W ärm e

Potential-aggregation

DEM S

Konzentratorverteilte kleine

KW K-Einheiten(kW )

��

B E S A nlage


S olaranlage

W indpark




Therm ische Last

B rennstoffzelle


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B ezug B iom asse


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W ärm e

B E S A nlage


S olaranlage

W indpark




Therm ische Last

B rennstoffzelle


H eizw erk

B ezug B iom asse


R andintegral

P rim ärenergie

S trom

W ärm e

Potential-aggregation

DEM S


KW K-Einheiten(kW )

��


KW K-Einheiten(kW )

��

Großflächige Optimierung dezentraler Energiesysteme

durch Kaskadierungmit Potentialermittlung

und ProfilvorgabeMW GW

Lokale dezentrale Energieoptimierung

im Energiemixeinschl. Querverbund

Leistungsbereich: xx MW

Intelligente Aggregration verteilter Kleinanlagendurch Konzentratoren

zu virtuellen GroßanlagenkW MW

Anmerkung: Netztopologische Orientierung, keine technischen Restriktionen


Virtuelle Großanlagen

Von dem oben beschriebenen dezentralen Konzept mit seinen anwendungs-spezifischen Ausprägungen lassen sich auch die besonderen Ausführungenableiten, die für die Erschließung des liberalisierten Energiemarktes zuneh-mend an Bedeutung gewinnen.

Wird z.B. ein Mix unterschiedlichster verteilter Erzeugereinheiten (Abb.2 unten links), die sich in einer Zuständigkeit befinden, in zuvor beschriebenerWeise zusammengefasst und durch Funktionen des Bedienens und Beobach-tens ergänzt, so ergibt sich ein virtuelles großes Kraftwerk. Dieses bietet demüberlagerten Energiemanagementsystem einer Erzeugungs- bzw. Handelsge-sellschaft Tagesprognosen seiner Erzeugung im Verrechnungs-Raster an undbekommt auf dieser Basis von dort nach Abschluss eines Liefervertrages ei-nen entsprechenden Leistungsfahrplan vorgegeben, der durch die Online-Op-timierung so exakt wie möglich abgefahren wird. Damit kann dieser verteilteErzeugungsmix als virtuelle große Erzeugungseinheit mit ergänzendem Kurz-frist-Energieaustausch über den Energiemarkt in vergleichbarer Weise zur all-gemeinen Energieversorgung beitragen wie sonstige „klassische“ Kraft-werke.

Reduziert sich der Energiemix auf nur eine Primärenergie, z.B. Wind, sowird aus dem virtuellen großen Kraftwerk eine virtuelle große Windanlage,die ihrerseits je nach Typ und kommunikativer Anbindung aus einem Mix re-gelbarer, zu- und abschaltbarer sowie nicht beeinflussbarer, d.h. nur progno-stizierbarer Windkraftanlagen besteht.

Darüber hinaus können auch kleine verteilte KWK-Anlagen mit elektri-scher Rückspeisung zu einer virtuellen großen KWK-Anlage zusammenge-fasst werden. Bei entsprechender Zugriffsmöglichkeit durch die bisherigenEnergieversorger oder auch neue – evtl. konkurrierende – Energiedienstlei-ster können diese virtuelle Großanlagen auf Basis des prognostizierten Wär-mebedarfs und optimierter Lieferplanung vertragsfähige profilbasierteStromeinspeisung ins Verteilnetz anbieten und zur Optimierung des Energie-Gesamtsystems beitragen. Dabei ist aber z.B. hinsichtlich der Wirkung aufdas elektrische Netz entscheidend, welche Geschäftsinteressen die Zugriffs-berechtigten verfolgen: Ein Stadtwerk wird eher die Auslastung seines Netzesund das Ausregeln eines Bezugsprofiles vom übergeordneten Vorlieferantenim Auge haben, ein unabhängiger Energiedienstleister dagegen mehr die Er-lösmöglichkeiten am Strommarkt.

Es kann darüber hinaus analog zu den virtuellen großen Erzeugungsanla-gen eine virtuelle große Lastmaschine definiert werden, die durch Bereitstel-

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lung einer Aggregation dynamisch regelbarer Lasten auch „Regelleistung“ –allerdings mit umgekehrten Vorzeichen – liefern könnte.

Großflächige Optimierung

Im Hinblick auf eine großflächige Optimierung ist zunächst festzustellen,dass Effizienzsteigerung und damit auch Ressourcenschonung auf allen Ebe-nen des Energieversorgungssystems erfolgen kann und muss: In Kraftwer-ken, in den Übertragungs- und Verteilungssystemen sowie vor allem imverbrauchsnahen dezentralen Bereich. Die unumgängliche Koordinierungder Vielzahl vielfältigster dezentraler Elemente kann grundsätzlich zentralund dezentral erfolgen. Im Hinblick auf die mit steigender Zahl der Elementezunehmenden Datenmengen, die Potenziale der verbrauchsnahen dezentralenEnergieeinsatzoptimierung – insbesondere im Bereich der Kraft-Wärme/Käl-te-Kopplung – sowie in Erwartung zukünftig marktorientierten Agierens ei-genverantwortlicher Energieunternehmer aus dem dezentralen Bereich (IPP:Independent Power Producer) ist ein konsequent dezentraler Ansatz unterVerzicht auf großräumige Ausgleichseffekte bei fluktuierender Einspeisungnahe liegend. So wird – im Endverbrauchsbereich beginnend - im Sinne einervon unten geregelten integrierten Energieoptimierung nachhaltig zur Steige-rung der Energieeffizienz beigetragen.

Die Herausforderung einer großflächigen Optimierung dezentraler Ener-gieversorgungssysteme kann z.B. durch Kaskadierung mit Potenzialermitt-lung und Profilvorgabe realsiert werden (Abb. 3). Dieser Ansatz setztzunächst einfache Netzstrukturen – z.B. Strahlennetze – bzw. Engpassfreiheitvoraus. Falls etwaige Netzrestriktionen – z.B. begrenzte Leitungskapazität –vorhanden sind, könnten diese in den Übergabeverträgen berücksichtigt wer-den. Bei komplexeren Netzstrukturen – z.B. vermaschten Netzen – werdendie optimierten dezentralen Versorgungssysteme direkt an ein Verteilnetzma-nagementsystem DMS mit Lastflussanalyse angekoppelt. Auf diese Weisewerden dezentral optimierte MW zu dezentral optimierten GW.

In der unterlagerten Ebene, wo zukünftig Tausende verteilter Kleinster-zeuger im kW-Bereich, z.B. KWK- oder PV-Anlagen, in Stadtnetzen instal-liert werden könnten, erfolgt eine evtl. Einbindung unter Aufwand/Nutzenabwägung und im Hinblick auf das mögliche Datenvolumen sinnvollerWeise über Datenkonzentratoren. In diesen werden die einzelnen Kleinster-zeuger nach betriebsrelevanten Kriterien in Gruppen zusammengefasst undWeb-basiert über eine XML-Schnittstelle von einem DEMS und evtl. überla-gertem DMS mit mehrstündigen Fahrplanvorgaben versehen. In diesem Falle


werden dezentral einsatzoptimierte kW zu dezentral optimierten MW.Mit diesem Konzept werden Datenumfang und Kommunikationsaufwand

unter Wahrung der Optimierungsmöglichkeiten deutlich reduziert und dieDynamik aus wachsendem dezentralem Zubau im Verteilnetz bereits in deruntersten Ebene intelligent abgefangen.

Integration großer Windleistungen

Eine besondere und daher nachfolgend eingehender behandelte Herausforde-rung ist heutzutage die Netzeinbindung großer Windparks – Onshore und vorallem Offshore – mit installierten Leistungen > 100 MW, wo je nach Netz-charakteristiken derartige Maßnahmen zunehmend erforderlich werden – ins-besondere bei der geplanten weiteren Entwicklung von derzeit rd. 18.000MW Onshore (Stand Anfang 2006) auf langfristig rd. 47.000 MW durch vor-nehmlich Offshore-Zubau. Denn die Integration großer Windleistungen birgtverschiedene Probleme [7-9]:

Abb. 4: Verlauf der Windleistungseinspeisung bei VE-T 2003-2005

Generell: Windeinspeisung mathematisch gesehen „chaotisch“ (Abb. 4)mit stark schwankender Erzeugung ohne Bezug zur Last sowie Prognose- und Planungsabweichungen;

Speziell: bei Starkwind und• Starklast:

- Engpassgefahr aufgrund thermischer Überlastung;

Quelle: VE T 04.2006

01/03

01/0401/05

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• Schwachlast: - Stabilitätsgefahr wegen fehlender Regelleistung/Ausgleichsenergie, - Mangel an Blind- und Kurzschlussleistung sowie - Automatische Abschaltung älterer Anlagen bei Sturm.

Zudem liegen die deutschen Erzeugungsschwerpunkte für Windenergie imNorden und Nordosten, die deutschen Lastschwerpunkte jedoch im Südenund Südwesten. Bereits im Jahre 2003 z.B. hat im Netzbereich Vattenfall Eu-rope Transmission die installierte Wind-Leistung die minimale Abnahmelei-stung im ostdeutschen Übertragungsnetz überschritten (Abb. 5).

Abb. 5: Lastverhältnisse im VE-T-Netz

Die Folge ist, dass hier und anderenorts in kritischen Starkwind/Schwachlast-Situationen aufgrund der auf deutscher Seite nicht mehr allein beherrschbarenNetzstabilität einige europäische Netznachbarn im UCTE-Verbundsystemzuweilen – entgegen allen internationalen Vereinbarungen – mit deutscherWindleistungseinspeisung „überschwemmt“ werden.

Die sich daraus ableitenden Transporterfordernisse lassen sich mit klassi-schem Netzausbau und ergänzenden Betriebsmitteln wie Blindleistungskom-pensations-, Speicher- und Regelleistungsanlagen allein nicht bzw. nichtoptimal lösen. Daher beschreibt die erste dena-Netzstudie [10] auch nur dieAusbaumaßnahmen bis 2015 (Abb. 6). Für den weiteren Ausbau sind hierauch neue Konzepte und Technologien für Systemintegration und Betriebs-führung gefragt, die in einer Folgestudie „dena II“ bearbeitet werden sollen.

Quelle: Vattenfall Europe Transmission (Prognosewerte jeweils zum Jahresende)

Bereits im Jahr 2003 hat die installierte Wind-Leistung die minimale Abnahmeleistung im ostdeutschen Übertragungsnetz überschritten!

Abnahmeleistungmaximal (~11 GW)

Abnahmeleistungminimal (~4 GW)

Installierte Wind-Leistung in [MW]


Abb. 6: Geplanter Ü-Netzausbau nach dena I bis 2015 – Veredelungsoptionen und Speicherungzur Erhöhung der Energiesystemkompatibilität

Neben verfeinerten Prognosen sind es vor allem durchgängige Kommunika-tion, verteilte Intelligenz, dezentrales Erzeugungs- bzw. Energiemanagement,virtuelle Großanlagen sowie Reserve- und Risiko-Strategien. Dabei ist eineintelligente Aggregation durch Kaskadierung mit netztopologischer Cluste-rung unter Berücksichtigung technischer Netzrestriktionen in Verbindung mitLastflussrechung/ und -steuerung, umfassendem Energiemanagement ein-schließlich Blindleistungsführung der geeignete Schritt, um die Energiesy-stemkompatibilität der Windenergie deutlich zu erhöhen.

Auf dieser Basis bieten sich grundsätzliche Möglichkeiten der Beeinflus-sung bzw. Produktveredelung der eingespeisten Windleistung nach Anforde-rungen des Netzes bzw. des Marktes: Spitzenleistungsbegrenzung zurNetzsicherheit, Energieregelung zur marktkonformen Einspeisung, Lei-stungsregelung und Regelleistungsbereitstellung (Abb. 7). Damit könnengroßflächig verteilte Windkraftanlagen profilbasiert einspeisen sowie – mitReserve-/Risikostrategien unterlegt – vertragsfähig am Energiemarkt teilneh-men.

Das gilt insbesondere, wenn derartige virtuelle große Windenergieanla-gen sogar noch Regelleistung bereitstellen, deren stabilisierende Wirkung aufdie gesamte Windeinspeisung eines Gebietes anhand der Ergebnisse einer Si-mulationsrechnung erkennbar ist (Abb. 8).

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Abb. 7: Geordnete Windleistungsdauerlinie - Beeinflussungsoptionen

Abb. 8: Netzdynamik - Einfluss der Windeinspeisung auf die Frequenz

Mit diesen Optionen und unterstützt von den derzeitigen und weiterhin zu er-wartenden steigenden Energiepreisen erhielte die Windenergie – zumindestteilweise – eine gewisse technologische und ökonomische Nachhaltigkeit, da

Quelle: VET, 2003


dieser Anteil differenzierter Stromprodukte, sofern die erzielbaren Erlöseüber der EEG-Einspeisevergütung liegen, nicht mehr „umlagebedürftig“ wä-ren. Die Windenergie erführe damit eine nachhaltige Steigerung des energie-und zudem gesamtwirtschaftlichen Nutzens, sofern es die Rahmenbedingun-gen zukünftig zulassen.

Eine besondere Notwendigkeit besteht aber noch in der Schaffung weite-rer Speicherungskapazitäten, um den zukünftigen Energiemix zu beherrscheneinschließlich des Managements fluktuierender Erzeugungen. Eine Hoch-rechnung aller auf EU-Basis für 2010 zu erwartenden Einspeisungen zeigt,dass deren Spitzenbeiträge nicht mehr durch die vorhandenen Pumpspeicher-kapazitäten aufgefangen werden können (Abb. 9). Auf die Frage, „Wohin mitdem Überschuss“, werden Druckluft-Speicherkraftwerke (CAES: Compres-sed Air Energy Storage) in adiabater Ausführung oder aber zusätzliche regel-bare Lasten durch Elektrolyse mit Umwandlung in Wasserstoff, d.h. derEinstieg in die zukünftige Wasserstoffwirtschaft, diskutiert [11-13].

Abb. 9: ... und wir müssen den künftigen Energiemix beherrschen, auch das Management fluktu-ierender Erzeugung!

Für Deutschland wäre dazu die im Zusammenhang mit der dena-Netzstudiebereits angesprochene Windsammelschiene in Norddeutschland (Abb. 10)von ganz besonderer Bedeutung, zumal in dieser Region auch in großem Um-fang geeignete geologische Formationen zu finden sind, die die Errichtungvon o.g. CEAS ermöglichen.

konventionell

KWK, inkl. Bio/BZ

Wasser

konventionell

KWK, inkl. Bio/BZ

Wasser

Wind

Biomasse

Photovoltaik

Wind

Biomasse

Photovoltaik

EU-Ziele für Erzeugung 2010

40 %

100

25

50

75

P, %

-25

Pumpspeicherleistung��

��

��

Pumplast Mittlerer Beitrag regenerativer und verteilter Erzeugung 40 %

Konventionelle Erzeugung

6 12 18 24h

��

MAX

��

MAX

Wohin mit dem Überschuss? Zus. Speicher (CAES), Lasten (H2-Wirtschaft)!Wohin mit dem Überschuss? Zus. Speicher (CAES), Lasten (H2-Wirtschaft)!Quelle: Siemens PTD SE PT 2005

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Abb. 10: Geschlossene Windsammelschiene Norddeutschland

Hier könnte z.B. die fluktuierende Offshore-Windleistung mit ihrer vollenDynamik zunächst aufgenommen/gespeichert werden und dann nach Bedarfund Netzverträglichkeit der öffentlichen Versorgung zugeführt werden. Da-bei wird der Wirkungsgrad in adiabater Ausführung nach einschlägigen Un-tersuchungen bei 72% erwartet (Zum Vergleich: Das modernste deutschePumpspeicher-Kraftwerk Goldisthal hat 75%), das Investitionsvolumen wirdin der Größenordnung eines vergleichbaren Gasturbinen-Kraftwerkes gese-hen [11]. Der Wirkungsgrad einer Hochtemperatur-Elektrolyse kann etwa80% erreichen (Persönl. Mitteilg. H. Müller-Steinhagen, Uni/DLR Stg.,22.09.06).

Hinsichtlich der Einsatz- bzw. Betriebsstrategie für o.g. Alternativen soll-te generell das vorrangige Ziel sein, alle gesichert mögliche Einspeisung ge-plant ins elektrische Netz zu geben und alle Fluktuation einschl. Überschusszukünftig nach Umwandlung in einen weiteren Sekundärenergieträgermarkt– z.B. Wasserstoff – zu leiten, da „Kraftstoff“ für den mobilen Bereich zu-künftig ebenfalls einen hohen Bedarf ausweisen wird.

Marktorientierte Betriebsführung

Als konkrete Umsetzung oben beschriebener Konzepte und Funktionalitätenzeigt sich zunehmend die marktorientierte Betriebsführung dezentral aggre-gierter und optimierter Elemente innerhalb der existierenden Energieversor-gung und zugehöriger Marktmechanismen (Abb. 11).

Quelle: VE T 2006


Abb. 11: Marktorientierte Betriebsführung (Szenario-Ausgangsbasis) [12]

Dabei ist ein wesentliches Merkmal der beteiligten Akteure, dass sie eigen-verantwortlich und unbeeinflusst von gesetzlich verbrieften Vergütungen ak-tiv am Energiemarkt teilnehmen und durch differenziert angeboteneStromprodukte mit gesicherter Einspeisung mehr als nur die gesetzliche Ein-speisevergütung erlösen wollen – d.h. es wird die Zeit nach Auslauf des der-zeitigen EEG schon teilweise vorweggenommen [12].

Abb. 12: Mögliche Szenario-Modellierung [12]

98 Rainer Bitsch

Als Akteure gibt es in der vorliegenden beispielhaften Konstellation(Abb. 12) auf der unteren Ebene einen • IPP, der nur elektrische Erzeugungselemente und einen Energiespeicher

besitzt,• Versorger, der elektrische und thermische Erzeugungen hat und damit

thermische und elektrische Lasten versorgt.Darüber liegt in diesem Fall optimierungshierarchisch ein Energiedienstlei-ster, der als Händler und Bilanzkreisverantwortlicher agieren kann, eigeneelektrische Erzeugungen und einen Energiespeicher besitzt sowie auf Basisvon Prognosen mit Toleranzen und daraus abgeleiteten Fahrplänen gesicherteEnergielieferungen von seinen beiden Partnern bezieht und bestens vermark-tet.

Der Fahrplan des hier betrachteten IPP (z.B. Abb. 13) zeigt, wie die ver-edelungsrelevanten regelbaren Elemente, Gasturbine und Speicher, aus demvorhandenen Erzeugungsmix dazu eingesetzt werden, insbesondere das stär-kere Windaufkommen am Nachmittag durch Regelleistungsvorhaltung zu si-chern. Dadurch kann der vereinbarte Fahrplan gesichert an denEnergiedienstleister geliefert werden.

Abb. 13: Elektrische Fahrpläne IPP [12]

Beim betrachteten Versorger ergeben sich aufgrund der Lieferverpflichtun-gen gegenüber seinem eigenen Kundenkreis andere Fahrplanstrukturen, erhat auch noch einen Grundlast-Bezugsvertrag und ist nur während des stärke-


ren Windaufkommens exportfähig. Im Falle des Energiedienstleisters (Abb.14) werden ebenfalls die regelbaren Elemente zur Sicherung und Optimie-rung seiner Energielieferung eingesetzt, wozu insbesondere der Speicherdurch Aufladung in der Niedrigpreisphase und Entladung in der Hochpreis-phase beiträgt.

Abb. 14: Elektrische Fahrpläne Energiedienstleister [12]

Abb. 15: Deckungsbeiträge und genutzte Windenergie [12]

100 Rainer Bitsch

Das Ergebnis dieser Modelluntersuchung einzelner Akteure im Energie-markt zeigt sich in diesem Fall einmal monetär als Deckungsbeitrag, wobeimit höherwertigerer Energiedienstleistung auch die besseren Deckungsbei-träge erzielt werden (Abb. 15).

Zudem erhebt sich im Bereich der erneuerbaren Energiequellen und de-zentralen Erzeugungen zugleich auch die Frage, wie viel denn z.B. des vor-handenen Windenergiedargebots bei dieser marktorientierten Betriebsfüh-rung mit gesicherter Einspeisung auch genutzt und im Energiemarkt abge-setzt werden konnte: Beim IPP sind es rund 90%; das zeigt zugleich auch,dass der Energie-/Erzeugungsmix für dieses Vorgehen richtig aus gelegt ist.Das gilt mit rd. 80% in etwa auch noch für den Energiedienstleister. Der Ver-sorger dagegen mit rd. 45% derzeitiger Nutzung benötigt zur besseren zu-künftigen Nutzung des Windenergiedargebots bei marktorientierter Betriebs-führung weitere regelbare Elemente im Sinne eines ausgewogenen Energie-/Erzeugungsmixes.

Ausblick

Mit steigender Zahl großflächig verteilter erneuerbarer Energiequellen unddezentraler Erzeugungen wächst die Herausforderung systemkompatibler In-tegration in bestehende Elektroenergiesysteme und innovativer Lösungen.Eine ressourcenschonende und effizienzsteigernde Ausgangsbasis werdenzunehmend dezentrale Energieversorgungskonzepte sein mit umfassendemdezentralem Energiemanagement auf Basis aufwand-/nutzengerechter Kom-munikation und verteilter Intelligenz, die eine verbrauchsnahe Energieein-satzoptimierung sowie eine Koordination der Vielzahl dezentraler Elementemit dem zentralen System ermöglichen. Dabei werden durch netztopologi-sche Clusterung und intelligente Aggregation der verteilten Energieeinspei-sungen zu virtuellen Großanlagen ein vertragsfähiger Energieaustausch undmarktorientierte differenzierte Strom-Produkte mit gesicherter Einspeisungfür die „Zeit nach EEG“ ermöglicht.

Ein Netzausbau im Sinne der dena-Netzstudie ist zunächst unumgänglich,um die Energie vor allem von den neuen Offshore-Erzeugungsschwerpunk-ten im Norden und Nordosten zu den traditionellen Lastschwerpunkten imSüden und Südwesten zu transportieren. Ein darüber hinaus gehender Ausbausollte nach Kriterien der Gesamtwirtschaftlichkeit erfolgen und auch zusätz-liche Speicherkapazitäten sowie ihre Wechselwirkung mit dem zukünftigenKraftwerkspark berücksichtigen. Dabei gilt es zukünftig auch, durch ange-passte energieprozeßoptimierte Verantwortlichkeiten und effizienzorientierte


Betriebsführung z.B. die unvermeidliche Dynamik im Netz weitgehend dortabzufangen, wo sie entsteht und nicht erst im Übertragungsnetz anzusetzen.

Die entscheidenden Technologien und Konzepte stehen im Grundsatz zurVerfügung. Für einen breiten Einsatz bedürfen Schnittstellen und Kommuni-kation z.T. noch eingehenderer Normierung.

Darüber hinaus muss auch der gesetzliche Rahmen mit weiteren Novellie-rungen von EEG, KWKG bzw. EnWG entsprechend angepasst sowie die EU-Harmonisierung fortgesetzt werden. Sodann sind alle beteiligten Partner imEnergiesektor aufgerufen, die Technologien und Konzepte in gegenseitigemVerständnis aufzugreifen und die sich daraus ergebenden Chancen mit ge-samtwirtschaftlicher Sicht national und international sinnvoll zu nutzen.

Abkürzungen

BHKW BlockheizkraftwerkCAES Compressed Air Energy StorageDEMS Dezentrales EnergiemanagementsystemEEG Erneuerbare-Energien-GesetzEnWG EnergiewirtschaftsgesetzEU Europäische UnionGSM Global System for Mobile CommunicationsIPP Independent Power ProducerISDN Integrated Services Digital NetworkKW KraftwerkKWK Kraft-Wärme-KopplungKWKG KWK-GesetzLAN Local Area NetworkOPC OLE (Object Linking and Embedding) for Process ControlPV PhotovoltaikUCTE Union for the Coordination of Transmission of ElectricityWAN Wide Area NetworkWPC Windpark-ClusterXML Extensible Markup Language

Literatur

[1] Aumayr, G., Bitsch, R., Feldmann, W.: Dezentrale Energieversorgungskonzepteoptimieren Ressourcen; etz (1999), H. 3-4; S. 20-23

[2] Bitsch, R., Feldmann, W., Aumayr, G.: Virtuelle Kraftwerke – Einbindung dezen-traler Erzeugungsanlagen; etz (2002), Jg. 123, H. 9, S. 2-9

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[3] Hoppe, Kilpper, M., Bitsch, R.: Integration großer Offshore-Windleistungen indie Energieversorgung; Jahrestagung des Forschungsverbundes SonnenenergieFSV Tagungsband, Stuttgart 2002

[4] Bitsch, R.: Integrationskonzepte für regenerative/dezentrale Energieeinspeisun-gen; Energietag Brandenburg 2003, BTU Cottbus, Tagungsband

[5] Bitsch, R., Gjardy, G., Woldt, Th.: Virtuelle große Kraftwerke – eine Möglichkeitzur netzverträglichen Einbindung dezentraler Energieerzeugungen; Forum derForschung 2004, Jg. 8, H. 17. S. 25-30, BTU Cottbus

[6] Bitsch, R., Gjardy, G., Woldt, Th.: Bedeutung der dezentralen Stromerzeugungmit Anlagen zur Nutzung regenerativer Energien und BHKW sowie des Last- undEnergiemanagements in der Stromversorgung Deutschlands bis zum Jahr 2020;Kurzgutachten im Auftrag der Deutschen Energie Agentur GmbH, Cottbus 2004

[7] Bitsch, R., Fünfgeld, C., Schwarz, H.: Auswirkungen des Ausbaus der Windener-gienutzung in Brandenburg; Studie des Energieressourcen Instituts e.V. an derBTU Cottbus im Auftrag des Ministeriums für Wirtschaft des Landes Branden-burg, 2003

[8] Bitsch, R.; Gjardy, G.; Woldt, T.: Systemintegration großflächig verteilter dezen-traler Energieerzeugungen großer Leistungen; ew, Jg.103 (2004) H. 26, S. 40-42

[9] Bitsch, R.; Gjardy, G.; Woldt, T.: Aspects of Large Scale RES/DG Integration inExisting Energy Supply Systems – considering as example the situation in Germa-ny. International Journal of Distributed Energy Resources, Vol. 2 (2006), Nr.1, S.59-81, Kassel

[10]dena-Netzstudie – Energiewirtschaftliche Planung für die Netzintegration vonWindenergie in Deutschland an Land und Offshore bis zum Jahr 2020, Berlin2005

[11]5. dena EnergieForum „Druckluftspeicherkraftwerke” 08.09.2005, Berlin[12]Gjardy, G.: Beitrag zur zukünftigen marktorientierten Betriebsführung und Sy-

stemintegration großflächig verteilter dezentraler Erzeugungen mit besondererBerücksichtigung der Windenergie (Diss. BTU Cottbus 2006); Shaker VerlagAachen 2006, ISBN 3-8322-5110-3

[13]Müller, J.: Windkraft und die regenerative Wasserstofferzeugung für das Grund-lastmanagement; Energietag Brandenburg 2006, BTU Cottbus

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